JP2021529100A

JP2021529100A - 多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド

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Publication number: JP2021529100A
Application number: JP2021516673A
Authority: JP
Inventors: 子明陳; ▲ちぇん▼ 趙; 艶文李; 真黄
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2038-11-02
Also published as: CN109128872A; US11813709B2; CN109128872B; JP7036480B2; WO2020062431A1; US20210220953A1; KR20210039491A; KR102450266B1

Abstract

多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドは、三本枝分かれ（３）、運動ベース（５）、及び、固定ベース（１）を含み、加工主軸（６）が運動ベース（５）に固定して接続される。枝分かれ（２）は、サーボモーター（２２）、枝分かれロッド（２１）、ボールねじ（２３）、及び、ガイドナット（２５）を含む。枝分かれロッド（２１）は、その一方端のチャンバーにボールねじ（２３）とリニアガイドレール（２４）とを設置し、ボールねじ（２３）は、その一方端がサーボモーター（２２）に接続され、ボールねじ（２３）は、ガイドナット（２５）を通り抜け、ボールねじ（２２）は、その他方端が回転対偶を介して枝分かれロッド（２１）に接続され、ガイドナット（２５）は、リニアガイドレール（２４）に取り付けられ第一支持プレート（２６）を介して固定ベース（１）に回転可能に接続され、枝分かれロッド（２１）は、その他方端が第二支持プレート（２８）を介して運動ベース（５）に回転可能に接続される。係る三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドは、並列接続される主軸ヘッドの構造自体だけにより、刃具が可動プラットフォームと静止プラットフォームとにおける内部空間において、一定の範囲における任意点に回して、多方向に定点回転することを実現できるに加えて、刃具の先端点に回り多方向に定点回転することも実現できる。また、この主軸ヘッドは、構造が対称とされており、運動の特性に対称性を有している。

Description

本発明は、数値制御工作機械の技術分野に関し、多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドに関する。

性能に優れ、一体とされる構造部材を得るためには、一体化の素材からその金属を切除するのが理想的な加工方法である。しかしながら、形状構造が複雑で、材料の除去部分が大きく、薄肉で変形しやすい構造部材、例えば大型の航空構造部材などについては、従来の直列されている主軸ヘッドが部品の加工精度、品質及び加工効率などの要求を同時に満たすことが困難であった。

並列主軸ヘッドは、直列接続される主軸ヘッドに比べて、剛性質量比が高く、動態的な調整性能が高く、精度が高いなどの利点が存在しており、先進的な装備製造に応用がますます広くなってきた。特に、２つの回転自由度と１つの移動自由度を持つ３軸並列接続主軸ヘッドは、高速の数値制御工作機械設備の分野に良好な応用の見通しが存在している。３軸並列接続主軸ヘッドは、２軸移動プラットフォームと容易に組み合わせて５軸による連動加工を実現することができ、加工精度と品質を保証すると同時に加工効率を大幅に向上させることができる。

しかしながら、典型的な並列接続主軸ヘッドの構造は、例えば、特許ＣＮ１８４３７０９Ａ、特許１０１０４９６９９Ａ、特許ＣＮ１０１６９１０１３Ａ及び特許ＣＮ１０２６２６８７０Ａについて、いずれも、並列接続される主軸ヘッドの構造自体だけにより、刃具が多方向に定点回転することを実現できず、制御手段及び付加的な軸の運動により即時に補償しなければならないため、刃物の位置決め及びその軌跡の決めが難しくなる。これは、ある程度、このような主軸ヘッドの精度及び動態的なレスポンススピードに制限を与えたことになる。特許ＣＮ１０１４９７１６７Ａについては、並列接続される主軸ヘッドの構造自体だけにより刃具による定点回転ができるものの、その構造が対称ではなく、その運動特定にも対称性を有していない。しかも、従来の並列接続される主軸ヘッドにおける可動プラットフォームの回転中心が刃具の先端点と重なることができず、刃具先端点に回り多方向に定点回転ができなくなり、多軸の組み合わせにより加工を行うことが難しい。

本発明は、上記した従来技術に存在している問題を解決するために、並列接続される主軸ヘッドの構造自体だけにより、刃具が可動プラットフォームと静止プラットフォームとにおける内部空間において、一定の範囲における任意点に回して、多方向に定点回転することを実現できることに加え、刃具の先端点に回り多方向に定点回転することも実現できる、また、この主軸ヘッドは、構造が対称とされており、運動の特性に対称性を有している、多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を提供する。
多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドは、空間において１２０°で軸対称として三つ設置され構造が同じとなる三つの枝分かれ、三つの前記枝分かれの一方端を接続する運動ベース、及び、三つの前記枝分かれの主体を接続する固定ベースを含み、加工主軸が前記運動ベースに固定して接続され、前記枝分かれは、サーボモーター、枝分かれロッド、ボールねじ、及び、ガイドナットを含み、前記枝分かれロッドにおける一方端のチャンバーに前記ボールねじとリニアガイドレールが設置され、前記ボールねじは、前記ガイドナットを通り抜け、一方端が前記サーボモーターに接続され、他方端が回転対偶を介して前記枝分かれロッドに接続され、前記サーボモーターとボールねじとにより、前記枝分かれロッドとガイドナットとの間に移動自由度が与えられ、前記ガイドナットが前記リニアガイドレールに取り付けられ、第一支持プレートを介して前記固定ベースに回転可能に接続され、前記枝分かれロッドの他方端は、第二支持プレートを介して前記運動ベースに回転可能に接続される。

好適には、前記枝分かれにおける前記運動ベースと固定ベースとの接続位置には、それぞれ、運動ベース軸受と固定ベース軸受とが設置され、前記第一支持プレートは、前記固定ベース軸受の内輪に接続され、前記固定ベース軸受の外輪が前記固定ベースに固定して接続され、前記第二支持プレートは、前記運動ベース軸受の内輪に接続され、前記運動ベース軸受の外輪が前記運動ベースに固定して接続される。

好適には、前記固定ベース軸受の回転軸線と前記固定ベースの端面との間に夾角が存在しており、同一の枝分かれにおける前記運動ベース軸受の回転軸線と前記運動ベースの端面との間の夾角が同一である。

好適には、前記固定ベース軸受の回転軸線と前記運動ベース軸受の回転軸線とが空間において一点に交わり、三つの枝分かれのベース軸受の回転軸線は、その三つの交点に基づいて一つの平面が特定される。

好適には、前記ボールねじは、他方端が回転対偶を介して前記枝分かれロッドのチャンバー壁に接続される。

好適には、前記リニアガイドレールは、四本あり、それぞれ、前記枝分かれロッドチャンバーの四隅に固定され、前記ガイドナットが前記リニアガイドレールに取り付けられ、前記ガイドナットと前記リニアガイドレールとにより移動対偶が形成される。

好適には、前記ガイドナットは、心棒と軸受とからなる回転対偶を介して、前記第一支持プレートに接続され、前記枝分かれロッドの他方端が回転ヒンジを介して前記第二支持プレートに接続される。

好適には、前記ガイドナットと第一支持プレートとからなる回転対偶の軸線は、前記枝分かれロッドと第二支持プレートとからなる回転対偶の軸線と互いに平行している、ことを特徴とする。

好適には、前記枝分かれにおけるサーボモーターがリニアモーターとされ、前記リニアモーターにより枝分かれロッドとガイドナットとの間に一つの移動自由度を提供する、ことを特徴とする。

本発明は、従来技術に対して、以下の技術的効果が得られる。
本発明に係る多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドは、並列接続される主軸ヘッドの構造自体だけにより、刃具が可動プラットフォームと静止プラットフォームとにおける内部空間において、一定の範囲における任意点に回して、多方向に定点回転することを実現できることに加えて、刃具の先端点に回り多方向に定点回転することも実現でき、位置決めが容易にされ、制御が簡単になり、軌跡の決め、精度の向上に役立つことができ、構造が対称とされ、運動特性にも対称性を有している。

本発明の実施例、又は、従来技術における技術的手段をより明確に説明するように、以下に実施例を説明することに必要な図面を簡単に説明しておく。以下に説明する図面があくまでも本発明の幾つかの実施例に過ぎず、当業者にとって、創造性の労働がない限り、これらの図面に基づいて他の図面を取得可能であることは、明らかである。

本発明に係る構造全体の軸側からの模式図である。本発明に係る枝分かれの構造の模式図である。本発明に係る構造全体の側面からの模式図である。本発明に係る運動の模式図である。本発明に係る刃具の先端点に回り回転する模式図である。

以下に、本発明の実施例における図面を参照しながら、本発明の実施例における技術的手段を詳しく、完全に説明する。また、説明する実施例は、本発明の一部の実施例だけであり、すべての実施例ではない。また、創造性の労働がない限り、本発明の実施例に基づいてなされた他の実施例は、いずれも、本発明の保護範囲に属されている。

本発明は、上記した従来技術に存在している問題を解決するために、並列接続される主軸ヘッドの構造自体だけにより、刃具が可動プラットフォームと静止プラットフォームとにおける内部空間において、一定の範囲における任意点に回して、多方向に定点回転することを実現できることに加えて、刃具の先端点に回り多方向に定点回転することも実現でき、また、この主軸ヘッドは、構造が対称とされており、運動の特性に対称性を有している、多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドを提供することを目的とする。

本発明が提供する多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドは、空間において１２０°で軸対称として設置され構造が同じとなる三つの枝分かれ、三つの枝分かれの一方端を接続する運動ベース、及び、三つの枝分かれの主体を接続する固定ベースを含み、加工主軸が運動ベースに固定して接続され、枝分かれは、サーボモーター、枝分かれロッド、ボールねじ、及び、ガイドナットを含み、枝分かれロッドは、その一方端のチャンバーにボールねじとリニアガイドレールとが設置され、ボールねじの一方端がサーボモーターに接続され、ボールねじがガイドナットを通り抜け、ボールねじの他方端が回転対偶を介して枝分かれロッドに接続され、ガイドナットがリニアガイドレールに取り付けられ第一支持プレートを介して固定ベースに回転可能に接続され、枝分かれロッドの他方端が第二支持プレートを介して運動ベースに回転可能に接続される。

本発明の上記の目的をより明確にするように、その特徴と利点をより分かりやすくするように、以下に図面と具体的な実施形態を参照しながら、本発明をより詳しく説明する。

図１乃至図４を参照すると、図１が本発明に係る構造全体の軸側からの模式図であり、図２が本発明に係る枝分かれ構造の模式図であり、図３が本発明に係る構造全体の側面からの模式図であり、図４が本発明に係る運動の模式図である。

図１乃至図４に示すように、本発明が提供する多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッドは、固定ベース１、運動ベース５、運動ベース５に固定して接続される加工主軸６、空間において１２０°で軸が対称に設置され、固定ベース１と運動ベース５との間に位置し、構造が同じとなる三本の枝分かれ２、及び、枝分かれ２をそれぞれに固定ベース１と運動ベース５とに接続する固定ベース軸受３と運動ベース軸受４を含む。

図２に示すように、枝分かれ２は、枝分かれロッド２１、サーボモーター２２、ボールねじ２３、リニアガイドレール２４、ガイドナット２５、第一支持プレート２６、回転ヒンジ２７、及び、第二支持プレート２８で構成され、サーボモーター２２が枝分かれロッド２１の一方端に固定して接続され、ボールねじ２３の一方端がサーボモーター２２に接続され、サーボモーター２２により駆動され、サーボモーター２２とボールねじ２３とにより、枝分かれロッド２１とガイドナット２５との間に移動自由度を提供し、ボールねじ２３がガイドナット２５を通り抜け、他方端が回転対偶を介して枝分かれロッド２１の他方端に接続される。リニアガイドレール２４は、四本あり、それぞれが枝分かれロッド２１方形チャンバーの四隅に固定され、ガイドナット２５が枝分かれロッド２１の方形状のチャンバーのリニアガイドレール２４に取り付けられ、ガイドナット２５とリニアガイドレール２４とにより移動対偶が形成され、ガイドナット２５が心棒と軸受とからなる回転対偶、又は、他の形態で同じ効果を有している構造を介して、第一支持プレート２６に接続され、当該回転対偶の軸線が２ａであり、枝分かれロッド２１と第二支持プレート２８とが回転ヒンジ２７を介して接続され、枝分かれロッド２１と第二支持プレート２８とにより回転対偶が形成され、当該回転対偶の軸線が２ｂであり、回転対偶の軸線２ａと回転対偶軸線２ｂとが互いに平行する。

図３に示すように、枝分かれ２は、その一方端が第一支持プレート２６を介して固定ベース軸受３の内輪に接続され、固定ベース軸受３の外輪が固定ベース１に固定して接続され、固定ベース軸受３の回転軸線が３ａである。上記した枝分かれ２は、他方端が第二支持プレート２８を介して運動ベース軸受４の内輪に接続され、運動ベース軸受４の外輪が運動ベース５に固定して接続され、運動ベース軸受４の回転軸線が４ａである。上記した固定ベース軸受３の回転軸線３ａと固定ベース１の端面との間に存在している夾角が０であり、また、上記した運動ベース軸受４の回転軸線４ａと運動ベース５との端面の夾角も０であり、かつ、固定ベース軸受３の回転軸線３ａと運動ベース軸受４の回転軸線４ａとが空間において一点Ａにて交わる。図４に示すように、他の二つの枝分かれ２がそれぞれ固定ベース１と運動ベース５とに接続される形態は、上記した枝分かれ２がそれぞれ固定ベース１と運動ベース５とに接続される形態と同じである。同様に、他の二つの軸受回転軸線による交点Ｂと交点Ｃが得られる。軸受回転軸線の三つの交点Ａ、Ｂ、Ｃにより、平面Ｓを特定しており、各枝分かれ２がサーボモーター２２の駆動により運動されると、運動ベース５及びそれに固定して接続される加工主軸６が、平面Ｓにおける任意点に回り、多方向に定点回転することを実現でき、それが二つの回転自由度に該当し、また、当該平面と垂直して移動することも実現できるため、他の一つの移動自由度に該当する。

図５に示すように、上記した各部材の接続関係や幾何関係を変化しない限り、機構の大きさだけを変化して、三つの枝分かれ２における移動対偶の長さを調整すると、軸受の回転軸線による三つの交点Ａ、Ｂ、Ｃにより特定した平面Ｓにおける位置や姿勢を制御でき、加工主軸６の刃先端点が上記平面Ｓに位置すると、並列される主軸ヘッド自体だけにより、刃具先端点に回り多方向に定点回転する機能を果たすことができる。

実施例に係る駆動装置は、サーボモーター２２によりボールねじ２３を駆動する構造の形態であり、枝分かれロッド２１とガイドナット２５との間に一つの移動自由度を提供している。また、同様な目的を達成するように、リニアモーターによる駆動形態に基づいて、枝分かれロッド２１とガイドナット２５との間に一つの移動自由度を提供しても構わない。具体的に実施する場合に、駆動形態を実現できれば、同様な運動機能を実現できる他の如何なる構造形態でもよい。本発明は、同様に、固定ベース１を二つの直行している移動プラットフォームにより接続することにより、五つの軸による数値制御工作機械を構成することができる。

本発明では、具体的な実施例に基づいて本発明の趣旨及びその実施形態を説明したが、以上の実施例への説明は本発明の方法及びその中核発想を明確にするためのものに過ぎず、当業者にとって、本発明の発想に従って、具体的な実施形態及びその適用範囲において変更されてもよい。以上より、本明細書の内容が本発明を限定するものではないと理解されるべきである。

１固定ベース
２枝分かれ
３固定ベース軸受
４運動ベース軸受
５運動ベース
６加工主軸
２１枝分かれロッド
２２サーボモーター
２３ボールねじ
２４リニアガイドレール
２５ガイドナット
２６第一支持プレート
２７回転ヒンジ
２８第二支持プレート

Claims

空間において１２０°で軸対称として三つ設置され構造が同じとなる三つの枝分かれ、三つの前記枝分かれの一方端を接続する運動ベース、及び、三つの前記枝分かれの主体を接続する固定ベースを含み、加工主軸が前記運動ベースに固定して接続され、
前記枝分かれは、サーボモーター、枝分かれロッド、ボールねじ、及び、ガイドナットを含み、前記枝分かれロッドにおける一方端のチャンバーに前記ボールねじとリニアガイドレールが設置され、前記ボールねじは、前記ガイドナットを通り抜け、一方端が前記サーボモーターに接続され、他方端が回転対偶を介して前記枝分かれロッドに接続され、前記サーボモーターとボールねじとにより、前記枝分かれロッドとガイドナットとの間に移動自由度が与えられ、前記ガイドナットが前記リニアガイドレールに取り付けられ、第一支持プレートを介して前記固定ベースに回転可能に接続され、前記枝分かれロッドの他方端は、第二支持プレートを介して前記運動ベースに回転可能に接続される、ことを特徴とする、多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記枝分かれにおける前記運動ベースと固定ベースとの接続位置には、それぞれ、運動ベース軸受と固定ベース軸受とが設置され、前記第一支持プレートは、前記固定ベース軸受の内輪に接続され、前記固定ベース軸受の外輪が前記固定ベースに固定して接続され、前記第二支持プレートは、前記運動ベース軸受の内輪に接続され、前記運動ベース軸受の外輪が前記運動ベースに固定して接続される、ことを特徴とする、請求項１に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記固定ベース軸受の回転軸線と前記固定ベースの端面との間に夾角が存在しており、同一の枝分かれにおける前記運動ベース軸受の回転軸線と前記運動ベースの端面との間の夾角が同一である、ことを特徴とする、請求項２に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記固定ベース軸受の回転軸線と前記運動ベース軸受の回転軸線とが空間において一点に交わり、三つの枝分かれのベース軸受の回転軸線は、その三つの交点に基づいて一つの平面が特定される、ことを特徴とする、請求項３に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記ボールねじは、他方端が回転対偶を介して前記枝分かれロッドのチャンバー壁に接続される、ことを特徴とする、請求項１に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記リニアガイドレールは、四本あり、それぞれが前記枝分かれロッドチャンバーの四隅に固定され、前記ガイドナットが前記リニアガイドレールに取り付けられ、前記ガイドナットと前記リニアガイドレールとにより移動対偶が形成される、ことを特徴とする、請求項１に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記ガイドナットは、心棒と軸受とからなる回転対偶を介して、前記第一支持プレートに接続され、前記枝分かれロッドの他方端が回転ヒンジを介して前記第二支持プレートに接続される、ことを特徴とする、請求項６に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記ガイドナットと第一支持プレートとからなる回転対偶の軸線は、前記枝分かれロッドと第二支持プレートとからなる回転対偶の軸線と互いに平行している、ことを特徴とする、請求項７に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。
前記枝分かれにおけるサーボモーターがリニアモーターとされ、前記リニアモーターにより枝分かれロッドとガイドナットとの間に一つの移動自由度を提供する、ことを特徴とする、請求項１に記載の多方向に定点回転を実現でき三軸が対称に並列接続される主軸ヘッド。